摘要：井下采空区精确测量与分析是保障矿山高效安全开采的重要措施之一。湖北三鑫金铜矿以往主要采用VS150三维激光扫描仪测量采空区，存在测量效率差、精度低、作业条件危险等问题。为提高采空区测量的精确度与效率，引进井下无人机三维激光扫描技术，对井下采空区进行扫描探测，并将无人机探测设备与传统的测量设备的探测数据进行对比。结果表明，无人机三维激光扫描设备能够更安全、更高效、更精确地测量井下采空区。无人机三维激光扫描技术可为地下矿山安全探测提供一种新手段。
关键词： 采空区 无人机 三维激光扫描 井下探测
作者：刘丰（湖北三鑫金铜股份有限公司）
随着矿山数字化、智能化发展的推进，国内外许多现代化矿山已开始应用三维数值分析[1-3]、全矿山维可视化管控[3-5]、数字孪生[6-7]等技术来指导矿山的安全生产，在进行矿山的三维数字化改革的同时，矿山的基础测绘将是全矿山三维显现的重要数据来源[8]。
地下矿山的测绘主要包括井下的采空区、井巷工程以及重要设施工程的测绘，随着三维激光扫描技术的发展，目前矿山多使用维激光扫描仪对井下空间进行扫描建模[9-11]，但传统维激光扫描仪主要为架站式扫描，在对矿山测绘中存在诸多不足：
①在井下测绘时面对复杂井巷工程需要多次布点，作业耗时过长；
②扫描数据质量通常受到扫描地点、地下空间尺度及形状的影响，所得到的点云数据空间点密度极不均匀，并存在点云密度低与扫描死角；
③部分危险区域作业人员无法进行布点，数据精确度降低的同时增加了作业人员的安全隐患。
综上所述，采用传统三维激光扫描测绘方式不仅难以达到全矿山三维显现的精度要求，同时增加了测量人员采集数据的作业难度和风险，阻碍矿山数字化、智能化的发展，需对矿山测绘设备进行革新，获取更精确的矿山三维空间信息，使得矿山三维可视化分析结果更符合现场实际。
目前，一种无人机三维激光扫描技术已成功在井下进行采空区探测的应用[12-13]，人员无需靠近危险区域即可对采空区进行精细测量，有必要对无人机三维激光扫描技术在矿山的应用作进一步的探索。
01 测绘工程概况
湖北三鑫金铜股份有限公司现阶段井下共有12个生产中段，年掘进达到2万多米，每年需完成采场空区验收多达120多个。目前，矿山主要采用的采空区测量仪器为VS150三维激光扫描仪，但是随着矿山开采深度逐年增加，VS150的测量精度已无法达到验收要求，且采用VS150三维激光扫描仪进行作业耗时过长，工作人员还需进人危险暴露区域，增加了测绘的工作难度。
针对当前井下测量存在的问题，需引进新型测量设备技术，该测量技术需满足测量设备体积小、工作条件适用性好且测量精度高的要求，同时引进的新技术要能兼容VS150的数据，两者相互补充，从而节约投资，因此有必要引入无人机三维激光扫描技术。
02 无人机三维激光扫描设备及原理概述
2.1设备概述
无人机三维激光扫描设备采用的是翼目神特种无人机测量巡检系统，如图1所示。该系统由无人机（图1（a））搭载三维激光扫描仪（图1（b））组成，采用非接触式激光测量，无需反射棱镜，扫描目标无需进行任何表面处理即可直接采集物体表面的三维数据，所采集的数据完全真实可靠，并可用于解决人员难以企及的危险环境下的测量工作，具有传统测量方式难以完成的技术优势。
目前，翼目神地下空间特种无人机测量巡检系统是基于SLAM算法的移动式三维激光扫描系统，可以不依靠GPS技术动态测量和记录各种环境下的空间三维信息，因此，在矿山井下无GPS环境仍可以精确的收集地下空间数据，相对于传统的三维激光采集设备，翼目神地下空间特种无人机测量巡检系统可以快速、高精度地对扫描目标进行高密度的三维数据采集，获取海量点云数据，比传统三维激光扫描测量效率有数十倍的提升。
2.2无人机三维激光扫描原理
三维激光扫描原理主要通过激光扫描仪发出激光脉冲信号，经目标表面漫反射后传回到接收器[14]，得到所测目标点的距离s，通过水平扫描角度α与垂直扫描角度β以及已知测量距离s，即可由式（1）计算出所测点的坐标（图2）。三维激光扫描设备每秒可散射出数十万激光，从而快速收集目标表面的点云数据。
03 综合应用
3.1应用流程
无人机探测设备使用流程主要分为外业测量与内业数据处理，如图3所示。外业测量主要根据技术人员提供的地质、工程资料以及实地考察，初步圈定扫描范围，进行扫描作业。采用无人机探测设备对目标采空区进行巡视扫描后，将所测量得到的数据导入配套软件中进行内业数据处理，内业数据处理包括点云数据拼接、点云数据冗余、点云数据坐标转换等操作[15]，内业处理采用的是翼目神特种无人机测量巡检系统配套的MaptekPointStudio软件[16]。该软件可支持多种点云数据的导入、编辑以及建模，可以输出如DXF格式的模型文件，能够很好地与VS150数据以及其他三维矿业软件耦合使用。
3.2应用注意事项
（1）在进行无人机扫描作业前，需选定无人机起飞区域，该区域不仅能使作业人员处于安全环境，且尽可能的保证无人机起飞区域的平整，确保无人机具有良好的起飞条件，如图4所示。特别是在井下碎石区域应用无人机三维激光扫描时，应增设起飞平台来保证无人机的稳定起飞作业（图4（b））。
（2）由干井下无GPS信号，无人机三维激光扫描只能获取数据的相对坐标，在进行测绘作业前需控制无人机在控制点处环绕，对控制点进行扫描以方便后续校正模型的绝对坐标，如图5所示。作业人员可用扫描杆或控制标靶球与控制点相连，使得控制点的扫描范围更明显。
3.3井下无人机采空区探测应用
采用无人机探测设备对井下中深孔爆破后形成的采空区进行测量，如图6所示。作业人员无需靠近采空区入口，即可远程操控无人机进入采空区进行扫描作业。
将无人机三维激光扫描点云数据结果与VS150设备扫描结果进行对比，如图7所示。可以看出，采用传统测量设备测量得到的采空区数据存在点云缺失以及点云稀疏现象（图7（a）），测量精度远达不到作业要求，而采用无人机测量设备得到的采空区点云数据更完整（图7（b）），可以较好地展现采空区的三维形貌，为后续采空区形态与体积的精确测量提供优质的数据基础。此外，在采用传统测量设备进行测量时，需架设多个点位，作业耗时长，且工作人员多次进入采空区内部危险区域，存在较大的安全隐患。最后测得采空区总体积1.22万m³，所构建的采空区三维模型如图8所示。
04 讨论
井下无人机探测设备相对于传统测量设备，可对井下采空区进行更精确的探测，使得湖北三鑫金铜矿井下采空区探测结果更精确、探测效率更高，优势如下：①操作简单、无需辅助配件；②实用性强，人员可远离危险区域远程操控测量；③扫描速度快，单个采空区测量时间7min（含仪器组装、架设时间）；④操作人员少，数据采集仅需1～2人即可完成测量；⑤无人机三维激光扫描设备更适用于湖北三鑫金铜矿井下恶劣环境。
自主智能无人机应用于地下矿山采场和井巷工程的三维空间数据采集，具有安全、高效、简便等不可替代的优势。与现有的空区测量技术以及传统的激光扫描技术相比，无人机采集数据时间更短，同时将人员暴露在危险区域的机会降至最低，可以极大提高矿山作业安全和生产效率，此外无人机三维激光扫描技术不仅可用于井下采空区的扫描，还可进一步用于其他方面。
（1）无人机维激光扫描技术可对开采区域进行扫描，掌控采场的开采空间的精确数据，可分析采场超挖与欠挖状况，有助于采场收方、爆破量与出矿量的计算。
（2）无人机三维激光扫描技术可应用采场充填工况的掌控，通过无人机进入正在充填的采场内进行扫描，通过建模分析出充填采场的空间数据，有助于充填作业生产调度，可以获得有关回填位置、高度和体积的准确信息。
（3）使用无人机对放矿口堵塞部位进行测量，可以清楚地了解堵塞情况，以便让作业人员及时制定出相应的措施。
（4）无人机维激光扫描技术可定期对巷道进行巡测，及时收集巷道的收敛数据，分析巷道的岩石破碎区域，有助于作业人员及时对巷道进行支护。
05 结论
（1）简述了无人机三维激光扫描设备及其原理，并对无人机三维激光扫描设备在井下应用的流程与注意事项进行论述，可以看出无人机维激光扫描设备无需进行复杂的预处理工作即可开始扫描作业，降低了扫描作业的繁琐程度。
（2）采用无人机三维激光扫描设备对三鑫金铜矿井下中深孔爆破形成的采空区进行探测，并将无人机三维激光扫描获取的点云数据与VS150扫描获取的点云数据进行对比，发现无人机三维激光扫描获取的采空区点云数据更精确、更完整。
（3）无人机三维激光扫描技术具有操作简单、实用性强、扫描速度快等优势，可作为一种高效、安全、精确的地下矿山新型探测手段。
参考文献：略
● 引用格式
刘丰. 井下无人机三维激光扫描设备在三鑫金铜矿的应用[J]. 现代矿业, 2021 , 37(11) : 196-199 .
,
